ความสัมพันธ์ระหว่างแบนด์วิดธ์กับลวดและความถี่คืออะไร?

ฉันพยายามเรียนรู้ระบบเครือข่าย (ปัจจุบัน Link - Physical Layer); นี่คือการศึกษาด้วยตนเอง

ฉันสับสนมากเกี่ยวกับสิ่งหนึ่ง:

สมมติว่าฉันต้องการส่งข้อมูลบนสายบางอย่างเช่นนี้:

01010101 ซึ่งจะมีลักษณะเช่นนี้เป็นสัญญาณ:

__|‾‾|__|‾‾|__|‾‾|__|‾‾

ข้อมูลที่จะส่งจะต้องแสดงด้วยสัญญาณและสัญญาณในสถานการณ์นี้คือ "การเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้า" บนลิงค์ / ลวด (สมมติว่าเรากำลังใช้สายเคเบิลไม่ใช่ลิงก์ไร้สาย)

ดังนั้นฟูริเยร์จึงพิสูจน์ว่ามีความถี่เพียงพอสัญญาณสามารถแสดงได้ค่อนข้างดี

ชอบ:

ฉันยังไม่เข้าใจความสัมพันธ์ระหว่างสัญญาณบนเส้นลวดและความถี่

คำจำกัดความของความถี่คือ: จำนวนครั้งของเหตุการณ์ที่เกิดซ้ำต่อหน่วยเวลา ดังนั้นการทำซ้ำในสายต่อหน่วยเวลาคืออะไร?

ตัวอย่างเช่นในบรรทัด DSL สำหรับการแบ่งความถี่มัลติเพลกซ์เนื่องจากผู้ใช้หลายคนจะได้รับการจัดสรรความถี่น้อยกว่าจะมีแบนด์วิดท์น้อยกว่าต่อผู้ใช้ในการเชื่อมโยง / สายที่กำหนด การจัดสรรความถี่ให้น้อยลงบนสายหมายถึงอะไร ทำซ้ำน้อยกว่าอะไร

ลวดมีความถี่มากมายหรือไม่? หากมี (ให้พูดจาก 0 ถึง 1 เมกะเฮิร์ตซ์เฮิร์ตซ์) ฉันสามารถเป็นตัวแทนข้างต้นได้โดยใช้ช่วงระหว่าง 0 ถึง 100 หรือ 100 ถึง 200 หรือ 500 ถึง 1,000 หรือไม่ ทำไมฉันถึงมีแบนด์วิดธ์เพิ่มขึ้นถ้าฉันใช้ความถี่มากขึ้น?

Modulationและสัญลักษณ์ s

จำนวนการเกิดขึ้นของเหตุการณ์การทำซ้ำต่อหน่วยเวลา ดังนั้นการทำซ้ำในสายต่อหน่วยเวลาคืออะไร?

รูปแบบแรงดันไฟฟ้าบนลวดซ้ำ

ในระบบการสื่อสารที่ง่ายมากคุณอาจวงจรสายแรงดัน DC สูงหรือต่ำกว่าเกณฑ์ดังแสดงใน ASCII ศิลปะของคุณ __|‾‾|__|‾‾|__|‾‾|__|‾‾... สมมติว่าเกณฑ์ของคุณคือ + 5v และ -5vdc; การมอดูเลตข้อมูลไบนารีผ่านแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงสองตัวจะให้ผลเพียงหนึ่งบิตต่อระดับแรงดัน (การเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้าแต่ละครั้งเรียกว่าสัญลักษณ์ในอุตสาหกรรม)

การเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงไม่ใช่วิธีเดียวที่จะแสดงข้อมูลบนลวดดังที่คุณกล่าวถึงคุณสามารถปรับความต่างศักย์ของสัญญาณบนความถี่ที่กำหนดหรือเปลี่ยนระหว่างสองความถี่เพื่อปรับเปลี่ยนข้อมูล รูปภาพนี้แสดงให้เห็นถึงวิธีการ__|‾‾|__|‾‾|__|‾‾|__|‾‾เปลี่ยนผ่านที่เหมือนกันผ่าน Amplitude Modulation (AM) และ Modulation Modulation (FM)

ระบบที่ซับซ้อนมากขึ้นซึ่งถูกส่งผ่านระยะทางที่ไกลกว่านั้นใช้รูปแบบการมอดูเลตที่ซับซ้อนมากขึ้นเช่นFDMหรือQPSKเพื่อแพ็คข้อมูลเพิ่มเติมลงในแบนด์วิดท์ที่กำหนดบนลวด

โดยทั่วไปคุณสามารถปรับโดยใช้การรวมกันของ:

• ความกว้าง
• ความถี่
• การชดเชยระยะ (เกี่ยวข้องกับผู้ให้บริการอ้างอิงหรือนาฬิกา)

อัตราบิตและประสิทธิภาพเชิงสเปกตรัม

ลวดมีความถี่มากมายหรือไม่? หากมี (ให้พูดจาก 0 ถึง 1 เมกะเฮิร์ตซ์เฮิร์ตซ์) ฉันสามารถเป็นตัวแทนข้างต้นได้โดยใช้ช่วงระหว่าง 0 ถึง 100 หรือ 100 ถึง 200 หรือ 500 ถึง 1,000 หรือไม่ ทำไมฉันถึงมีแบนด์วิดธ์เพิ่มขึ้นถ้าฉันใช้ความถี่มากขึ้น?

ลองพิจารณาระบบการปรับความถี่ซึ่งมีสองสถานะบนเส้นลวด ...

• 0 สัญลักษณ์แสดงด้วย 1KHz
• สัญลักษณ์ 1 แสดงด้วย 2.5KHz

นี้การปรับโครงการต้อง 1.5KHz ของแบนด์วิดธ์ในสาย อย่างไรก็ตามนั่นไม่ได้บอกอะไรคุณเกี่ยวกับอัตราบิตที่ส่ง (ซึ่งสร้างความสับสนหรือที่เรียกว่า 'แบนด์วิดท์' แต่อย่าใช้คำที่มีการโอเวอร์โหลด)

เหตุผลหนึ่งที่ระบบ FM อาจเว้นระยะห่างกัน 0 และ 1 สัญลักษณ์ของ 1.5KHz นั้นเป็นเพราะมีข้อ จำกัด เกี่ยวกับความรวดเร็วความเร็วและวิธีประหยัดของโมเด็มที่สามารถวัดการเปลี่ยนแปลงความถี่ของสายได้

• วิธีการที่ดีโมเด็มสามารถวัดการเปลี่ยนแปลงความถี่เป็นหนึ่งในปัจจัยที่ไดรฟ์เท่าใดแบนด์วิธเป็นสิ่งจำเป็นในสาย
• ความเร็วของโมเด็มสามารถวัดความถี่ (หรือสัญลักษณ์อื่น ๆ) เปลี่ยนไดรฟ์ได้ว่าอัตราบิตของโมเด็มจะสูงเพียงใด
• เศรษฐศาสตร์มีบทบาทสำคัญเพราะคุณอาจสร้างระบบที่มีประสิทธิภาพทางสเปกตรัมสูงมากแต่ถ้าไม่มีใครสามารถจ่ายได้มันก็ไม่ใช่ทางออกที่เป็นไปได้จริง ๆ

ตามกฎทั่วไปคุณสามารถสร้างโมเด็มที่เร็วกว่าและราคาถูกกว่าถ้าคุณมีแบนด์วิดท์มากขึ้นสำหรับคุณ

แก้ไข: การตอบสนองความคิดเห็น

ฉันได้ศึกษาคำตอบของคุณแล้ว แต่ฉันยังสับสนกับบางสิ่ง ฉันสามารถส่ง 1 และ 0s ผ่านสายเท่าที่ฉันเข้าใจ ดังนั้นถ้า 1.5 KHz ก็เพียงพอสำหรับเรื่องนี้ทำไมฉันจะใช้แบนด์วิดธ์มากกว่านี้

ฉันตอบคำถามในส่วนสุดท้าย แต่ขอดำเนินการต่อกับตัวอย่างการปรับ FM ระบบจริงต้องคำนึงถึงความไวของผู้รับและปัจจัยต่าง ๆ เช่นตัวกรองแบนด์ - พาสที่สามารถใช้งานได้ดีเพียงใด

สมมติว่าแบนด์วิดท์ 1.5KHz ที่มีให้กับโมเด็มนั้นให้ผลลัพธ์เพียง 9600 บอดและไม่เร็วพอ อย่างไรก็ตามคุณอาจสร้างโมเด็ม 20KHz ที่เร็วพอ (อาจต้องใช้ 56K baud)

ทำไม 20KHz ถึงดีกว่า เนื่องจากความเป็นจริงและความลาดชันที่ไม่สมบูรณ์ของตัวกรองสัญญาณผ่านและส่วนประกอบอื่น ๆ คุณอาจต้องใช้แบนด์วิดท์จำนวนมากในการนำมอดูเลตและรหัสบรรทัดที่ถูกต้องมาใช้ บางทีด้วย 20Khz คุณสามารถใช้รูปแบบQAMซึ่งให้คุณ 3 บิตต่อสัญลักษณ์ส่งผลให้อัตราบิตสูงสุดของ "9600 * 8" หรือ 76.8 Kbaud (หมายเหตุ: 2 ** 3 = 8)

คุณกำลังถามคำถามที่ดี แต่เป็นการยากที่จะอธิบายเรื่องนี้โดยไม่ต้องคำนึงถึงการออกแบบที่แท้จริง หากคุณอ่านหนังสืออิเล็กทรอนิกส์บางเล่มเกี่ยวกับการออกแบบตัวรับหรือเรียนหลักสูตรวิศวกรรมไฟฟ้าบางส่วนเนื้อหานี้ครอบคลุม

ไมค์เสนอคำตอบที่ดีเยี่ยม แต่ไม่ตรงกับสิ่งที่คุณถาม

แบนด์วิดธ์ตามคำจำกัดความคือช่วงความถี่ที่วัดได้ใน Hz

ดังที่คุณได้กล่าวไว้ว่าสัญญาณ__|‾‾|__|‾‾|__|‾‾|__|‾‾สามารถถูกทำลาย (โดยใช้ฟูริเยร์) เป็นความถี่จำนวนมาก สมมติว่าเราได้ทำลายมันลงและเห็นว่าสัญญาณของเราส่วนใหญ่ประกอบด้วยความถี่ 1Mhz, 1.1Mhz, 1.2Mhz, 1.3Mhz ... ถึง 2Mhz นั่นหมายความว่าสัญญาณของเรามีแบนด์วิดธ์ของ 1MHz

ตอนนี้เราต้องการส่งผ่านช่องทางเช่นลวดทองแดงหรือใยแก้วนำแสง ก่อนอื่นเรามาพูดถึงช่องทางเล็กน้อย

เมื่อพูดถึงแบนด์วิดท์ในแชนเนลเราพูดถึงแบนด์วิดท์ของ passbandซึ่งอธิบายช่วงความถี่ที่แชนเนลสามารถมีการบิดเบือนเล็กน้อย สมมติว่าฉันมีช่องทางที่สามารถส่งสัญญาณที่มีความถี่อยู่ระหว่าง f1 ถึง f2 เท่านั้น ฟังก์ชั่นตอบสนองความถี่ (ปฏิกิริยาของแชนเนลต่อสัญญาณที่มีความถี่ต่างกัน) อาจเป็นดังนี้

แบนด์วิดท์ของช่องขึ้นอยู่กับคุณสมบัติทางกายภาพของช่องดังนั้นลวดทองแดงจะมีแบนด์วิดธ์ที่แตกต่างจากช่องสัญญาณไร้สายและจากใยแก้วนำแสง นี่ยกตัวอย่างเช่นเป็นตารางจากวิกิพีเดียระบุแบนด์วิดท์ของสายคู่บิดที่แตกต่างกัน

หากช่องตัวอย่างของเรามีแบนด์วิดท์ 1Mhz เราสามารถใช้มันได้อย่างง่ายดายในการส่งสัญญาณที่แบนด์วิดธ์คือ 1Mhz หรือน้อยกว่า สัญญาณที่มีแบนด์วิดธ์ที่กว้างขึ้นจะถูกบิดเบือนเมื่อผ่านอาจทำให้พวกเขาไม่สามารถเข้าใจได้

ทีนี้กลับไปที่สัญญาณตัวอย่างของเรา__|‾‾|__|‾‾|__|‾‾|__|‾‾กัน ถ้าเราจะดำเนินการวิเคราะห์ฟูริเยร์ในนั้นที่เราจะพบว่าการเพิ่มอัตราการส่งข้อมูล (โดยการทำให้บิตที่สั้นกว่าและใกล้ชิดกับแต่ละอื่น ๆ ) เพิ่มแบนด์วิดธ์ของสัญญาณ การเพิ่มจะเป็นแบบเชิงเส้นดังนั้นการเพิ่มขึ้นสองเท่าของอัตราบิตหมายถึงการเพิ่มแบนด์วิดท์สองเท่า

ความสัมพันธ์ที่แน่นอนระหว่างอัตราบิตและแบนด์วิดท์ขึ้นอยู่กับข้อมูลที่ส่งและการปรับใช้ (เช่นNRZ , QAM , แมนเชสเตอร์และอื่น ๆ ) วิธีแบบดั้งเดิมที่ผู้ใช้วาดบิต: __|‾‾|__|‾‾|__|‾‾|__|‾‾เป็นลักษณะของNRZแต่เทคนิคการมอดูเลตอื่น ๆ จะเข้ารหัสเลขศูนย์และรูปร่างต่าง ๆ กันซึ่งมีผลต่อแบนด์วิดท์

เนื่องจากแบนด์วิดท์ที่แน่นอนของสัญญาณไบนารีขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายประการมันมีประโยชน์ในการดูขอบเขตบนทางทฤษฎีสำหรับสัญญาณข้อมูลใด ๆผ่านช่องทางที่กำหนด ขอบเขตบนนี้ได้รับจากทฤษฎีบท Shannon – Hartley :

Cคือความจุช่องสัญญาณเป็นบิตต่อวินาที

Bคือแบนด์วิดท์ของช่องสัญญาณในเฮิร์ตซ์ (แบนด์วิดท์ passband ในกรณีของสัญญาณมอดูเลต)

Sคือพลังงานสัญญาณที่ได้รับโดยเฉลี่ยบนแบนด์วิดท์ (ในกรณีของสัญญาณที่มอดูเลตมักจะแทน C คือตัวส่งสัญญาณมอดูเลต) วัดเป็นวัตต์ (หรือโวลต์กำลังสอง)

Nคือเสียงเฉลี่ยหรือกำลังรบกวนสัญญาณรบกวนบนแบนด์วิดท์วัดเป็นวัตต์ (หรือโวลต์กำลังสอง)

S / Nคืออัตราส่วนสัญญาณต่อเสียงรบกวน (SNR) หรืออัตราส่วนสัญญาณรบกวนต่อเสียง (CNR) ของสัญญาณการสื่อสารไปยังสัญญาณรบกวนรบกวนแบบเกาส์เซียนที่แสดงเป็นอัตราส่วนกำลังเชิงเส้น (ไม่ใช่เดซิเบลลอการิทึม)

สิ่งหนึ่งที่สำคัญที่จะต้องทราบก็คือว่านอนส์-Hartley ทฤษฎีบทถือว่าประเภทเฉพาะของเสียง - สารเติมแต่งเสียงรบกวนแบบเกาส์สีขาว ขอบเขตด้านบนจะลดลงสำหรับประเภทอื่น ๆ ของเสียงที่ซับซ้อนมากขึ้น

ให้ฉันให้คำตอบทางวิศวกรรมเครือข่ายในชีวิตจริงหรือในทางปฏิบัติ นี่คือแบนด์วิดท์ความสัมพันธ์และความถี่: แบนด์วิดธ์ที่สูงขึ้นความถี่ที่สูงขึ้น เสร็จสิ้น

ไม่จบคำถามและคำตอบอย่างจริงจัง เสร็จแล้วไปยังชั้นที่ 2

ฉันไม่ได้ตั้งใจจะหยาบคายหรือฉลาด คำถามของคุณได้เจาะลึกลงไปในแง่มุมทางวิศวกรรมไฟฟ้าของชั้นกายภาพที่จะเกี่ยวกับสิ่งที่เรียกว่าวิศวกรรมเครือข่าย สิ่งที่คุณถามมีความเกี่ยวข้องกับการสื่อสารโทรคมนาคมวิศวกรรมไฟฟ้าหรือวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์มากกว่าวิศวกรรมเครือข่ายในทุก ๆ ด้าน แต่มีความเข้มงวดที่สุด นอกจากนี้ยังไม่เกี่ยวข้องกับใคร แต่บุคลากรที่มีความเชี่ยวชาญเป็นพิเศษกำลังพัฒนาทั้งฮาร์ดแวร์หรือโปรโตคอลที่ใช้งานโดยฮาร์ดแวร์ ฉันค่อนข้างประหลาดใจถ้า CCIE ส่วนใหญ่สามารถตอบคำถามนี้ได้จนถึงระดับที่ Mike Pennington ทำ ... และจะไม่แปลกใจเลยถ้าพวกเขาไม่รู้จักพอที่จะถามคำถามเดิมอย่างลึกซึ้งที่สุดเท่าที่คุณทำ!

ให้ฉันพูดอีกอย่างหนึ่ง: ถ้าคุณกำลังศึกษาวิศวกรรมเครือข่ายในแง่ดั้งเดิมคุณมีความเชี่ยวชาญในเลเยอร์ 1 ที่ไกลเกินกว่าที่จำเป็นต้องใช้หรือแม้แต่มีประโยชน์ในอาชีพวิศวกรรมเครือข่ายปกติ คุณทำได้ดีต่อไปมีอะไรอีกมากมายให้เรียนรู้